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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf dimmbare elektronische Vorschaltgeräte beispielsweise
für Gasentladungslampen,
auf elektronische Steuereinheiten für ein derartiges dimmbares
elektronisches Vorschaltgerät
sowie auf zugehörige
Betriebsverfahren für
dimmbare elektronische Vorschaltgeräte.
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Bei
dimmbaren Vorschaltgeräten
ist es problematisch, die untere Grenze des Dimmbereichs auf beispielsweise
unter 1% Dimmwert zu legen. Ursache für diese Problematik ist, dass
die Detektion der hochfrequenten AC-Signale (Lampenstrom, Lampenspannung)
für die
Leistungsregelung der Lampe sehr aufwendig ist, da ja die Erfassung
der rückgeführten AC-Signale auf einen
sehr großen
Bereich ausgelegt werden muss.
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EP 1 330 945 B1 zeigt
ein Vorschaltgerät
mit einem Vollbrückenbetrieb
mit Linearregler.
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AT 392 384 B zeigt
einen niederfrequenten Rechteckbetrieb mittels Halbbrücke oder
Vollbrücke.
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WO
2004/010742 zeigt einen niederfrequenten Rechteckbetrieb mittels
Halbbrücke.
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Es
ist nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen stabilen Lampenbetrieb
im Bereich niedriger Dimmwerte bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mittels der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders
vorteilhafter Weise weiter.
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Generell
sieht die Erfindung vor, dass die Lampe abhängig davon, ob die einzustellende
Leistung oberhalb bzw. unterhalb eines definierten Dimmpegels liegt,
mit einer speziell abgestimmten Betriebsweise betrieben wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein dimmbares
elektronisches Vorschaltgerät
für Gasentladungslampen
vorgesehen. Das Vorschaltgerät
weist eine elektronische Steuereinheit auf, die dazu ausgelegt ist,
selektiv den Betrieb einer angeschlossenen Lampe abhängig davon
anzusteuern, ob der aktuelle Dimmpegel oberhalb bzw. eines unterhalb
eines definierten Dimmpegels liegt.
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Oberhalb
eines definierten Dimmpegels wird die Lampe mit einem hochfrequenten
bipolaren Lampenstrom betrieben, der beispielsweise mittels eines Halbbrücken-Wechselrichters
erzeugt werden kann.
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Unterhalb
des definierten Dimmpegels wird die Lampe mit einem unipolaren DC-Lampenstrom betrieben,
dem ebenfalls ein hochfrequenter Strom überlagert ist.
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Bei
dem Betrieb der Lampe mit dem hochfrequenten bipolaren Lampenstrom
bei höheren
Dimmpegeln erfolgt vorzugsweise eine Leistungsregelung der Lampe
mittels Ansteuerung der HF-Frequenz beispielsweise des Halbbrücken-Wechselrichters.
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Bei
Betrieb der Lampe mit einem unipolaren DC-Lampenstrom erfolgt die
Leistungsregelung der Lampe vorzugsweise über die Ansteuerung des Effektivwerts
des Lampenstroms. Der Effektivwert des Lampenstroms kann durch die
Amplitude des unipolaren DC-Lampenstroms und/oder über das
Tastverhältnis
eines getakteten unipolaren DC-Lampenstroms eingestellt werden.
Dazu kann der unipolare DC-Lampenstrom PWM-moduliert sein.
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Beim
Betrieb der Lampe mit einem unipolaren DC-Lampenstrom kann die Steuereinheit
einen Hochpotential-Transistor eines Halbbrücken-Wechselrichters in einem
Linearregler-Modus
ansteuern. Somit wird in diesem Fall die Leistungsregelung über Regelung
der Amplitude des DC-Lampenstroms
geregelt.
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Bei
Betrieb der Lampe mit einem unipolaren DC-Lampenstrom kann die Steuereinheit
die Lampe auch mittels eines in Serie zu der Lampe geschalteten
Linearreglers ansteuern, der also gegebenenfalls zusätzlich zu
den Schaltern des Halbbrückenwechselrichters
vorgesehen ist.
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Dieser
Linearregler kann auf der Niederpotentialseite der Lampe angeordnet
sein, was die Ansteuerung vereinfacht.
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Der
Linearregler kann bspw. ein MOSFET oder ein Bipolartransistor sein.
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Andererseits
kann der Linearregler auch auf der Hochpotentialseite der Lampe
angeordnet sein, wobei er in diesem Fall bevorzugt mittels eines
Hochspannungstreibers von der Steuereinheit angesteuert ist.
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Der
Linearregler kann insbesondere dann, wenn er auf der Hochpotentialseite
der Lampe angeordnet ist, derart geschaltet sein, dass er beim Betrieb
der Lampe mit dem hochfrequenten bipolaren Lampenstrom (beispielsweise
vom Halbbrückenwechselrichter)
von diesem nicht durchflossen ist.
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Die
Steuereinheit kann dazu ausgelegt ist, unabhängig von dem Wert eines anliegenden
Dimmbefehls das Zünden
der Lampe durch hochfrequente Ansteuerung eines Wechselrichters
zu veranlassen (Resonanzzünden).
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Die
Erfindung bezieht sich gemäß einem weiteren
Aspekt auch auf ein elektronisches Vorschaltgerät, das oberhalb eines definierten
Dimmpegels die Lampenleistung durch Regelung der Frequenz eines
hochfrequenten bipolaren Lampenstroms ausführt. Unterhalb des definierten
Dimmpegels erfolgt die Lampenleistungsregelung bevorzugt durch Einstellung
des Effektivwerts (Amplitude und/oder Tastverhältnis) eines unipolaren DC-Lampenstroms,
dem gegebenenfalls ein Rippel (hochfrequenter Strom) überlagert
sein kann.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine elektronische
Steuereinheit, die beispielsweise ein Mikrocontroller und/ein ASIC
sein kann, und die zur Verwendung in einem Vorschaltgerät der oben
angeführten
Art ausgebildet ist.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auch auf Verfahren zum Betrieb eines dimmbaren
elektronischen Vorschaltgeräts.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr bezugnehmend auf die Zeichnungen der begleitenden Figuren
näher erläutert werden.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräts,
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung in einer Detailansicht,
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung in einer Detailansicht,
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung in einer Detailansicht, und
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5 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung in einer Detailansicht.
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Wie
in 1 ersichtlich wird ein Vorschaltgerät üblicherweise
mit Netzspannung betrieben. Beispielsweise im Fall einer Notbeleuchtung
kann indessen auch der Betrieb mit einer Gleichspannung vorgesehen
sein, die bspw. von einer Batterie bereitgestellt wird. Im Fall
des Betriebs mit der Netzspannung VAC wird üblicherweise
diese Spannung durch einen Block 1 gleichgerichtet und
gegebenenfalls HF-gefiltert.
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Die
Erfindung lässt
sich indessen gleichermassen auf DC-gespeiste Vorschaltgeräte anwenden.
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Die
gleichgerichtete Wechselspannung wird dann durch einen Zwischenkreisschaltung 2 auf
eine geeignete Busspannung VBus umgesetzt,
die üblicherweise
auf einem höheren
Niveau liegt als die gleichgerichtete Wechselspannung VAC. Üblicherweise
beträgt
die Busspannung einige hundert Volt.
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Die
Zwischenkreisschaltung 2 kann weitere Funktionen aufweisen,
wie beispielsweise die Sicherstellung einer sinusförmigen Stromaufnahme
(Leistungsfaktorkorrektur, PFC) eine Stabilisierung der Busspannung
VBus durch Regelung, eine Beschränkung der
in das Netz zurückgestrahlten
Oberwellen (THD) etc.
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Die
Busspannung VBus wird dann durch einen Wechselrichter 3,
der durch eine Halbbrücke
mit zwei in Serie geschalteten Leistungsschaltern gebildet ist, in
eine bevorzugt hochfrequente Betriebsspannung VHF für einen
Resonanzkreis 4 umgesetzt, zu dem die Lampe bevorzugt parallel
geschaltet ist. Die Hochfrequenzspannung VHF wird
bevorzugt am Mittenpunkt eines Halbbrücken-Wechselrichters 3 abgegriffen.
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Der
Betrieb des Vorschaltgeräts
kann durch eine oder mehrere elektronische Steuer- und/oder Regeleinheiten
vorgegeben werden. Der Einfachheit halber ist in 1 nur
eine einzige elektronische Steuer- und/oder Regeleinheit 5 vorgesehen.
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Dieser
elektronischen Steuer- und/oder Regeleinheit 5 können verschiedene
Parameter aus dem Bereich der anliegenden Netzspannung, dem Bereich
des Zwischenkreises, dem Bereich des Wechselrichters und/oder dem
Bereich des Last- oder Resonanzkreises und der Lampe zurückgeführt werden.
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Weiterhin
ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 5 in der Lage, beispielsweise über eine
Schnittstelle 6 externe oder interne Dimmwerte zu empfangen.
Diese Dimmwerte können
beispielsweise über eine
angeschlossene Busleitung zugeführt
werden, die beispielsweise ein Digitalbus gemäß dem Industrie-Standard DALI
sein kann.
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Auf
jeden Fall sind der Steuer- und/oder Regeleinheit Dimmwerte zuführbar, die
einen Sollwert für
die einzustellende Lampenleistung darstellen.
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Als
typische Stellgröße für die Einstellung der
Lampenleistung im Normalfall, d.h. bei hohen oder moderaten Dimmwerten,
kann die Schaltfrequenz f der Schalter des Halbbrücken-Wechselrichters 3 gewählt werden.
Als Rückführgröße, die
die Ist-Lampenleistung wiedergibt, kann beispielsweise der Lampenstrom
und/oder die Lampenspannung gewählt
werden.
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Wie
bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, arbeitet ein derartiger
Regelkreis bei voller Lichtleistung (100%) der Lampe sowie auch
bei moderaten Dimmwerten üblicherweise
zuverlässig.
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Komplizierter
ist indessen der Betrieb bei deutlich reduziertem Dimmbetrieb, wobei
ein typischer Schwellenwert ein Dimmwert von beispielsweise 1% ist.
Bei derartigen Dimmwerten ist die Lampenleistung sehr gering, so
dass entsprechend auch das die Lampenleistung wiedergebende Rückführsignal
sehr gering ist, was die Auswertung im Regelkreis erschwert.
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Bezugnehmend
auf die 2 bis 5 sollen
nunmehr bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen
dargelegt werden, die sämtliche
Möglichkeiten
darstellen, wie die Lampe neben der oben geschilderten Betriebsart
mit einem hochfrequenten bipolaren Strom auch in wenigstens einer
weiteren Betriebsart bei niedrigen Dimmpegeln betreibbar ist.
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In 2 bis 5 ist
sämtlich
nur ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen EVGs dargestellt, nämlich der
Bereich des Wechselrichters, des Resonanzkreis mit der Lampe sowie
der elektronischen Steuer- und/oder Regeleinheit.
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Sämtliche
Ausführungsbeispiele
wie in den 2 bis 5 dargestellt,
zeigen einen Halbbrücken-Wechselrichter
mit zwei in Serie geschalteten Schaltern M1, M2, die bevorzugt als
MOSFETs ausgebildet sind. Der potential höhere Schalter M1 wird mit der
Busspannung VBus versorgt. Am Mittenpunkt der
beiden Schalter M1, M2 wird die Spannung zur Versorgung der Lampe
abgegriffen. Dabei ist an diesem Mittenpunkt ein Resonanzkreis bestehend
aus einer Induktivität
L1 und einem Kondensator C1 vorgesehen. Mit diesem Resonanzkreis
L1, C1 ist die Lampe über
einen Koppelkondensator C2 verbunden, wobei also über diesen
Koppelkondensator C2 insbesondere ein hochfrequenter Strom zur Lampe geführt werden
kann.
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Auf
der potentialniedrigeren Seite der Lampe ist ein Erfassungswiderstand
R3 vorgesehen, mittels dem ein den Lampenstrom ILampe wiedergebendes
Signal zu der Regel- und Steuereinheit 5 zurückgeführt werden
kann. Dieses Rückführsignal
ILampe ist nur eine Möglichkeit, ein die Lampenleistung
wiedergebendes Signal bzw. mehrere derartige Signale als Rückführsignal
zu der Regel- und Steuereinheit 5 zu führen.
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Die
Regel- und Steuereinheit 5 ist wie bereits bezugnehmend
auf 1 geschildert dazu ausgebildet, Dimmwertsignale
zugeführt
zu bekommen, die also Sollwerte für die Lampenleistung darstellen.
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Als
Steuergröße gibt
die Regel- und Steuereinheit 5 gemäß einem in ihr implementierten
Regelalgorithmus, der die Ist-Leistung der Lampe mit dem vorgegebenen
Sollwert (Dimmwert) vergleicht, in Form von Schaltsignalen für die Schalter
M1, M2 des Halbbrückenwechselrichters
vor. Gegebenenfalls kann es notwendig sein, für den potential höheren Schalter
M1 einen gesonderten Hochspannungstreiber (HV-Treiber) vorzusehen.
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Aufgrund
der oben geschilderten Bauteile ist die in 2 bis 5 gezeigte
Schaltung somit in der Lage, durch eine hochfrequente wechselweise Ansteuerung
der Schalter M1, M2 über
den Koppelkondensator C2 einen hochfrequenten Strom der Lampe zuzuführen. Die
Leistungsregelung erfolgt über
die Schaltfrequenz f.
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Die
Regel- und Steuereinheit 5 ist nunmehr dazu ausgelegt,
die Lampe in einer von dem oben geschilderten Normalbetrieb bei
höheren
Dimmpegeln unterschiedlichen Betriebsart anzusteuern, wenn der vorgegebene
Dimm- Sollwert unter
einem der Regel- und Steuereinheit 5 vorgegebenen Schwellenwert
unterschreitet. Generell ist es dabei die Idee der Erfindung, dass
in dieser weiteren Betriebsart bei sehr niedrigen Dimmwerten von
beispielsweise unter 1% kein hochfrequenter bipolarer Strom durch
die Lampe fließt,
da dieser bezüglich
der Erfassung bei sehr niedrigen Signalstärken gegebenenfalls Probleme
bereiten kann.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 2 wird in der weiteren Betriebsart, also bei sehr
niedrigen Dimmwerten, auf einen PWM-Betrieb umgeschaltet. Bei dieser
Betriebsweise steuert die Regel- und Steuereinheit 5 den
Hochpotentialtreiber mit PWM-Signalen an, so dass dementsprechend
der Schalter M1 mit durch die Regel- und Steuereinheit 5 vorgegebenen
Tastverhältnis
getaktet wird. Der potential niedrige Schalter M2 wird durch die
Regel- und Steuereinheit 5 in dieser Betriebsart vorzugsweise
gesperrt.
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Da
ein DC-Koppelwiderstand R1 (Ohmsche Widerstand) parallel zu dem
Kondensator C2 vorgesehen ist, kann somit ein PWM-modulierter Gleichstrom
durch die Lampe fließen,
wobei dieser DC-Lampenstrom dann als Rückführsignal leichter auswertbar
ist.
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Der
Schalter M1 wird somit in der Art eines Schaltreglers, und genauer
gesagt in der Art eines Tiefsetzstellers getaktet, wobei das Tastverhältnis und/oder
die Taktung den Effektivwert (RMS-Wert) des Stroms durch die Lampe
bestimmt. Die Leistungssteuerung der Lampe erfolgt also in diesem
Fall durch die Ansteuerung des Effektivwerts des durch die Lampe
fließenden
Stroms, wobei dieser Effektivwert eine Funktion des Tastverhältnisses
sowie der maximalen Amplitude ist.
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Bei
einem kontinuierlichen Dimmen von einem höheren Dimmpegel hin zu diesem
Schwellenwert und dann unterhalb des Schwellenwerts wird durch die
Regel- und Steuereinheit 5 festgelegt, dass der RMS-Wert
des gerade oberhalb des Schwellenwerts durch die Lampe fließenden HF-Stroms
genau dem Wert entspricht, der nach dem Umschalten auf die weitere
Betriebsweise durch den getakteten DC-Strom entsteht. Somit kann
trotz der Umstellung der Betriebsart von HF-Strom auf getakteten DC-Strom
durch die Lampe ein nahtloser Übergang des
Dimmverhaltens ohne Sprünge
in der Lichtleistung gewährleistet
werden.
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Im übrigen ermöglicht diese
Schaltungsanordnung auch einen Start (Zünden) der Lampe auf einen sehr
niedrigen Dimmwert von beispielsweise 0,1%. Dabei wird zum Erreichen
der Zündspannung zuerst
ein Halbbrückenbetrieb
(wechselseitige Ansteuerung der Schalter M1, M2) angesteuert und dann
die Frequenz laufend in Richtung der Resonanzfrequenz des Lastkreises
verringert. Beim Erreichen der Zündspannung
kommt es zum Zünden
der Lampe, was die Regel- und Steuereinheit 5 beispielsweise
anhand des Lampenstroms erkennt. Unmittelbar nach Zünden schaltet
die Regel- und Steuereinheit 5 von dem Halbbrückenbetrieb
wieder auf den PWM-Betrieb um und regelt die Lampenleistung auf den
Dimmwert von beispielsweise 0,1%.
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Somit
kann, auch wenn von außen
ein sehr niedriger Dimmwert unterhalb des Dimmpegels gefordert wird,
zum Zünden
die Halbbrücken-Betriebsweise
verwendet werden, wobei unmittelbar nach dem Zünden auf die weitere Betriebsweise
umgeschaltet wird, die also vom Halbbrückenbetrieb abweicht.
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3 zeigt
nunmehr ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Regel- und/oder Steuereinheit 5 bei Anliegen
eines niedrigen Dimmwerts folgende Betriebsart anstellt: Wie aus 3 ersichtlich
ist in diesem Fall ein Transistor (fett oder bipolar) M3 in Serie
zu der Lampe geschaltet. Genauer gesagt ist in dem Ausführungsbeispiel
von 3 der Transistor auf der Niederpotentialseite
der Lampe angeschlossen und wird nunmehr beim Betrieb der Lampe
mit niedrigen Dimmwerten von der Regel- und/oder Steuereinheit 5 in
der Art eines Linearreglers angesteuert. Somit fließt durch
die Lampe ein Strom ILampe dessen Amplitude
von der Ansteuerung des Linearreglers M3 abhängt. In diesem Ausführungsbeispiel ist
der DC-Einkoppelwiderstand R1 zwischen der Hochpotentialelektrode
der Lampe und der Bus-oder Zwischenkreisspannung
VBus geschaltet.
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Der
Wechselrichter M1, M2 hat in dieser Betriebsart wie in 3 gezeigt
keine Funktion und kann gegebenenfalls abgeschaltet werden.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
kann zum Zünden
der ILampe von der Regel- und Steuereinheit 5 wie
bereits bezugnehmend auf 2 beschrieben ein normaler Halbbrückbetrieb
angesteuert werden, wobei nach der Erkennung des Zündens der
Lampe sofort auf die Längsregler-Ansteuerung
umgeschaltet wird.
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Während bei
dem Ausführungsbeispiel
von 2 ein getakteter Strom durch die Lampe fließt, ist der
Lampenstrom bei Ausführungsbeispiel
von 3 als reiner DC-Strom zu bezeichnen.
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Bezugnehmend
auf 4 soll nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel
für die
Betriebsweise der Lampe bei niedrigen Dimmpegeln erläutert werden.
Auch bei dieser Ausgestaltung kann die Halbbrückenschaltung M1, M1 beim Betrieb
der Lampe bei niedrigen Dimmwerten abgeschaltet werden, da ein Transistor
M3 als Linearregler vorgesehen ist. Allerdings ist in diesem Fall
der Transistor M3 (wiederum MOSFET oder bipolarer Transistor) auf
der Hochpotentialseite der Lampe mit der Busspannung VBus verbunden.
Der Transistor M3 wird wiederum angesteuert durch die Regel- und
Steuereinheit 5 als Linearregler betrieben. Allerdings
ist im Unterschied zu 3 zur Ansteuerung des Linearreglers
M3 auf der Hochpotentialseite der Lampe ein Hochspannungstreiber 6 mit
einem weiteren Transistor M4 sowie einem Spannungsteiler R4, R5
vorgesehen.
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Der
Linearregler M3 ist in dem Ausführungsbeispiel
von 4 (im Gegensatz zu dem Linearregler von 3)
derart verschaltet, dass er beim Betrieb der Lampe durch Ansteuerung
des Wechselrichters M1, M2 zur Erzeugung eines hochfrequenten bipolaren
Stroms durch die Lampe nicht von diesem HF-Strom durchflossen wird,
was zu geringeren Ohmschen Verlusten der Schaltung führt.
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Schließlich ist
in 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
bei der beim Betrieb der Lampe mit niedrigen Dimmwerten der potential
höhere
Schalter M1 des Wechselrichters M1, M2 als Linearregler betrieben.
Der Transistor M1 kann dabei wiederum ein MOSFET oder ein bipolarer Transistor
sein. Der potential niedrigere Schalter M2 ist in der Betriebsart
bei niedrigen Dimmpegeln bevorzugt abgeschaltet.
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Wiederum
ist ein Ohmscher Widerstand R1 als Einkoppelwiderstand parallel
zu den Koppelkondensator C2 für
die HF-Ströme
geschaltet. Bei dieser Betriebsart wird der Lampe bei niedrigen
Dimmwerten wiederum ein reiner Gleichstrom zugeführt.
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Zusammenfassend
schlägt
also die Erfindung eine kostengünstige
Lösung
vor, wie unter Beibehaltung der Halbbrückenanordnung (für höhere Dimmpegel)
bei niedrigen Dimmpegeln der Betriebsmodus vom frequenzgesteuerten
HF-Betrieb auf eine andere
Betriebsweise, wie beispielsweise den PWM-Betrieb oder den Linearbetrieb
umgeschaltet werden kann. Somit wird eine exakte Leistungsregelung
und ein stabiler Lampenbetrieb auch bei sehr niedrigen Dimmleveln
(unterhalb von 1%) ermöglicht.
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Da
für hohe
Dimmpegel der HF-Betrieb beibehalten wird, kann eine relativ hohe
Lampenleistung erzielt werden, wohingegen durch die weitere Betriebsart
bei niedrigen Dimmpegeln dort eine exakte Regelung möglich ist.
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Die
Betriebsweise bei niedrigen Dimmpegeln kann während des Zündbetriebs von dem Dauerbetriebsmodus
(Brennmodus) abweichen.